Abstract INTRODUCTION Predicting risk for Alzheimer’s disease when most people are likely still biomarker negative would aid earlier identification. We hypothesized that combining multiple memory tests and scores in middle-aged adults would provide useful, and non-invasive, prediction of 6-year progression to MCI. METHODS We examined 849 men who were cognitively normal at baseline (mean age=55.69±2.45). RESULTS California Verbal Learning Test learning trials was the best individual predictor of amnestic MCI (OR=4.75). A latent factor incorporating 7 measures across 3 memory tests provided much stronger prediction (OR=9.88). This compared favorably with biomarker-based prediction in a study of much older adults. DISCUSSION Neuropsychological tests are sensitive and early indicators of Alzheimer’s disease risk at an age when few individuals are likely to have yet become biomarker positive. Single best measures may appear time- and cost-effective, but 30 additional minutes of testing, and use of multiple scores within tests, provides substantially improved prediction

Despite their increasing application, the genetic and environmental etiology of global predicted brain ageing (PBA) indices is unknown. Likewise, the degree to which genetic influences in PBA are longitudinally stable and how PBA changes over time are also unknown. We analyzed data from 734 men from the Vietnam Era Twin Study of Aging with repeated MRI assessments between the ages 52 to 72 years. Biometrical genetic analyses revealed significant and highly correlated estimates of additive genetic heritability ranging from 59% to 75%. Multivariate longitudinal modelling revealed that covariation between PBA at different timepoints could be explained by a single latent factor with 73% heritability. Our results suggest that genetic influences on PBA are detectable in midlife or earlier, are longitudinally very stable, and are largely explained by common genetic influences.

Abstract The amyloid-tau-neurodegeneration (ATN) framework has led to an increased focus on Alzheimer’s disease (AD) biomarkers. The cost and invasiveness of obtaining biomarkers via cerebrospinal fluid has motivated efforts to develop sensitive blood-based biomarkers. Although AD is highly heritable, the biometric genetic and environmental etiology of blood-based biomarkers has never been explored. We therefore, analyzed plasma beta-amyloid (Aβ40, Aβ42, Aβ42/40), total tautau (t-tautau), and neurofilament light (NFL) biomarkers in a sample of 1,050 men aged 60 to 73 years (m=68.2, SD=2.5) from the Vietnam Era Twin Study of Aging (VETSA). Unlike Aβ and tautau, NFL does not define AD; however, as a biomarker of neurodegeneration it serves as the N component in the ATN framework. Univariate estimates suggest that familial aggregation in Aβ42, Aβ42/40, t-tau, and NFL is entirely explained by additive genetic influences accounting for 40%-58% of the total variance. All remaining variance is associated with unshared or unique environmental influences. For Aβ40, a additive genetic (31%), shared environmental (44%), and unshared environmental (25%) influences contribute to the total variance. In the more powerful multivariate analysis of Aβ42, Aβ40, t-tau, and NFL, heritability estimates range from 32% to 58%. Aβ40 and Aβ42 are statistically genetically identical (r g = 1.00, 95%CI = 0.92,1.00) and are also moderately environmentally correlated (r e = 0.66, 95%CI = 0.59, 0.73). All other genetic and environmental associations were non-significant or small. Our results suggest that plasma biomarkers are heritable and that Aβ40 and Aβ42 share the same genetic influences, whereas the genetic influences on plasma t-tau and NFL are mostly unique and uncorrelated with plasma Aβ in early old-age men.

Abstract While development and aging of the cerebral cortex show a similar topographic organization and are mainly governed by the same genes, it is unclear whether the same is true for subcortical structures, which follow fundamentally different ontogenetic and phylogenetic principles than the cerebral cortex. To test the hypothesis that genetically governed neurodevelopmental processes can be traced in subcortical structures throughout life, we analyzed a longitudinal magnetic resonance imaging dataset (n = 974, age 4-89 years), identifying five clusters of longitudinal change in development. With some exceptions, these clusters followed placement along the cranial axis in embryonic brain development, suggesting continuity in the pattern of change from prenatal stages. Developmental change patterns were conserved through the lifespan and predicted general cognitive function in an age-invariant manner. The results were replicated in longitudinal data from the Lifebrain consortium (n = 756, age 19-83 years). Genetic contributions to longitudinal brain changes were calculated from the Vietnam Era Twin Study of Aging (n = 331 male twins, age 51-60 years), revealing that distinct sets of genes tended to govern change for each developmental cluster. This finding was confirmed with single nucleotide polymorphisms and cross-sectional MRI data from the UK Biobank (n = 20,588, age 40-69), demonstrating significantly higher co-heritability among structures belonging to the same developmental clusters. Together, these results suggest that coordination of subcortical change adheres to fundamental principles of lifespan continuity, genetic organization and age-invariant relationships to cognitive function. Significance statement Here we show that subcortical change during childhood development is organized in clusters. These clusters tend to follow the main gradient of embryonic brain development, and are stable across life. This means that subcortical regions changing together in childhood also change together throughout the rest of life, in accordance with a lifespan perspective on brain development and aging. Twin and single nucleotide polymorphism-based heritability analyses in middle-aged and older adults showed that volume and volume change of regions within each developmental cluster tended to be governed by the same sets of genes. Thus, volumetric changes across subcortical regions are tightly organized, and the coordinated change can be described in a lifespan perspective according to ontogenetic and genetic influences.

ABSTRACT Importance Both cognitive reserve and modifiable lifestyle behaviors are associated with dementia risk. The effect of early lifestyle behaviors and cognitive reserve on late midlife brain aging could inform early identification and risk reduction of future dementia. Objective Determine associations of young adult cognitive reserve, early midlife lifestyle behaviors, and the reserve-by-lifestyle interaction on late midlife brain age. Examine the relationship between mild cognitive impairment (MCI) and brain age. Design Participants were from the nationally representative Vietnam Era Twin Study of Aging (VETSA). Cognitive reserve was assessed at median age 20 years (IQR=1.38) with the Armed Forces Qualification Test (AFQT). Lifestyle behaviors (smoking, alcohol consumption, and social engagement) were assessed at median age 41 (IQR=5.00). Structural brain imaging conducted at median age 69 (IQR=4.74) was used to construct predicted brain age difference scores (PBAD=chronological age minus predicted brain age) and MCI was ascertained. Setting In-person cognitive testing (ages 20 and 69); mailed survey (age 41); structural MRI, MCI diagnosis at University of California, San Diego (age 69). Participants 431 community-dwelling men. Exposures AFQT; self-reported health and lifestyle behaviors. Main outcomes and measures PBAD scores; MCI. Results In fully adjusted mixed linear models, age 20 cognitive reserve and the age 41 lifestyle composite were associated with age 69 PBAD [t (104)=2.62, p=0.01, 95%CI 0.874, 6.285; t (104)=3.37, p=0.001, 95%CI 0.583, 2.249 respectively] as was the reserve-by-lifestyle interaction [t (104) = −2.29, p=0.02, 95%CI −2.330, −0.167]. Unfavorable lifestyle predicted more advanced brain age, but only for those with lower young adult cognitive reserve. The MCI group had more advanced brain age (F (2,130) = 3.13; p=0.05). Conclusions and relevance Favorable lifestyle behaviors promoted resistance to accelerated brain aging 3 decades later for those with lower young adult cognitive reserve. High reserve appeared to be protective regardless of lifestyle. The association with MCI suggests that advanced PBAD scores reflect poorer brain integrity, although it is unclear if PBAD is related to Alzheimer’s dementia specifically. Lower cognitive reserve increases risk for dementia, but early lifestyle modification may promote healthier brain aging and dementia risk reduction, particularly in those with lower reserve. Study Type Cohort Study Key Points Question Do modifiable lifestyle behaviors in early midlife predict later accelerated brain aging and is that association moderated by cognitive reserve? Findings A lifestyle composite of smoking, alcohol consumption and social engagement at age 41 was associated with estimated brain age in late midlife. There was a significant moderation effect whereby more unfavorable lifestyle behaviors predicted more advanced brain aging, but only in those with low-to-moderate cognitive reserve. Meaning Favorable lifestyle behaviors appear to be protective for brain integrity especially among those with lower cognitive reserve. Early midlife efforts at prevention could be prioritized among those with lower cognitive reserve.

Over the past 25 years, neuroimaging has become a ubiquitous tool in basic research and clinical studies of the human brain. However, there are no reference standards against which to anchor measures of individual differences in brain morphology, in contrast to growth charts for traits such as height and weight. Here, we built an interactive online resource (www.brainchart.io) to quantify individual differences in brain structure from any current or future magnetic resonance imaging (MRI) study, against models of expected age-related trends. With the goal of basing these on the largest and most inclusive dataset, we aggregated MRI data spanning 115 days post-conception through 100 postnatal years, totaling 122,123 scans from 100,071 individuals in over 100 studies across 6 continents. When quantified as centile scores relative to the reference models, individual differences show high validity with non-MRI brain growth estimates and high stability across longitudinal assessment. Centile scores helped identify previously unreported brain developmental milestones and demonstrated increased genetic heritability compared to non-centiled MRI phenotypes. Crucially for the study of brain disorders, centile scores provide a standardised and interpretable measure of deviation that reveals new patterns of neuroanatomical differences across neurological and psychiatric disorders emerging during development and ageing. In sum, brain charts for the human lifespan are an essential first step towards robust, standardised quantification of individual variation and for characterizing deviation from age-related trends. Our global collaborative study provides such an anchorpoint for basic neuroimaging research and will facilitate implementation of research-based standards in clinical studies.

Objective Test the hypothesis that individual differences in episodic memory and verbal fluency in cognitively normal middle-aged adults will predict progression to amnestic MCI after 6 years.Method The analysis sample included 842 male twins who were cognitively normal at baseline (M=56 years), completed measures of episodic memory and verbal fluency at baseline and again 6 years later (M=62 years).Results Poor episodic memory predicted progression to both amnestic MCI (OR=4.42, 95% CI [2.44, 10.60]) and non-amnestic MCI (OR=1.92, 95% CI [1.32, 3.44]). Poor semantic verbal fluency also independently predicted progression to amnestic MCI (OR=1.86, 95% CI [1.12, 3.52]). In the full sample, a semantic-specific fluency latent variable at wave 1 (which controls for letter fluency) predicted change in episodic memory at wave 2 ( β =.13), but not vice-versa ( β =.04). Associations between episodic memory and verbal fluency factors were primarily explained by genetic, rather than environmental, correlations.Conclusions Among individuals who were cognitively normal at wave 1, episodic memory moderately-to-strongly predicted progression to MCI at average age 62, emphasizing the fact that there is still meaningful variability even among cognitively normal individuals. Episodic memory, which is typically a primary focus for AD risk, declined earlier and more quickly than fluency. However, semantic fluency at average age 56 predicted 6-year change in memory as well as progression to amnestic MCI even after accounting for baseline memory performance. These findings emphasize the utility of memory and fluency measures in early identification of AD risk.

Pathological changes in Alzheimer's disease (AD) begin decades before dementia onset. Because locus coeruleus tau pathology is the earliest occurring AD pathology, targeting indicators of locus coeruleus (dys)function may improve midlife screening for earlier identification of AD risk. Pupillary responses during cognitive tasks are driven by the locus coeruleus and index cognitive effort. Several findings suggest task-associated pupillary response as an early marker of AD risk. Requiring greater effort suggests being closer to one's compensatory capacity, and adults with mild cognitive impairment (MCI) have greater pupil dilation during digit span tasks than cognitively normal individuals, despite equivalent task performance. Higher AD polygenic risk scores (AD-PRSs) are associated with increased odds of MCI and tau positivity. We hypothesized that AD-PRSs would be associated with pupillary responses in cognitively normal middle-aged adults. We demonstrated that pupillary responses during digit span tasks were heritable (h2=.30-.36) in 1119 men ages 56-66. We then examined associations between AD-PRSs and pupillary responses in a cognitively normal subset who all had comparable span capacities (n=539). Higher AD-PRSs were associated with greater pupil dilation/effort in a high (9-digit recall) cognitive load condition; Cohen's d=.36 for the upper versus lower quartile of the AD-PRS distribution. Results held up after controlling for APOE genotype. The results support pupillary response -- and by inference, locus coeruleus dysfunction -- as a genetically-mediated biomarker of early MCI/AD risk. In some studies, cognition predicted disease progression earlier than biomarkers. Pupillary responses might improve screening and early identification of genetically at-risk individuals even before cognitive performance declines.